RU227455U1

RU227455U1 - Устройство для защиты оптических систем от мощного лазерного излучения

Info

Publication number: RU227455U1
Application number: RU2024101287U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Алфёров; Иван Андреевич Паргачёв
Original assignee: Акционерное Общество "Информационные Технологии И Коммуникационные Системы"
Filing date: 2024-01-19
Publication date: 2024-07-22

Abstract

Предполагаемая полезная модель относится к области защиты оптических систем, в том числе волоконно-оптических систем с квантовым распределением ключей, от мощного лазерного излучения, а также от атак с лазерным повреждением компонентов. Предложенное устройство содержит волоконно-оптический светоделитель 2×2 с коэффициентом деления света, равным 50/50, поглотитель света, установленный на первом выходе волоконно-оптического светоделителя. Каждый вход и выход волоконно-оптического светоделителя могут иметь оптический коннектор. Техническим результатом является: 1) увеличение порога разрушения отражающего элемента; 2) упрощение конструкции. Указанный технический результат достигается за счет того, что отражение, необходимое для функционирования устройства, происходит на границе раздела сред «сердцевина волокна - воздух», а повышение порога разрушения достигается за счет отсутствия в схеме элементов, таких как металлическое зеркало, которые могут инициировать оптический разряд или приостановить сеанс распределения ключа ввиду возросших оптических потерь, вследствие разрушения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Предполагаемая полезная модель относится к области защиты оптических систем, в том числе волоконно-оптических систем с квантовым распределением ключей, от мощного лазерного излучения, а также от атак с лазерным повреждением компонентов.

Уровень техники

Развитие квантовых технологий открывает качественно новые возможности в науке и технике. В частности, технология квантового распределения ключей (КРК) позволяет осуществлять формирование симметричных ключей шифрования информации для удаленных абонентов. При этом нет необходимости передавать физические носители, а секретность ключей шифрования, сформированных при КРК, гарантируется фундаментальными законами квантовой механики.

Для реализации технологии КРК разрабатываются прецизионные системы, состоящие, в основном, из широко распространенных оптических элементов. Благодаря тонкой настройке составных оптических элементов в системах КРК возникают квантовые эффекты, и системы могут с высокой стабильностью формировать секретные ключи шифрования.

Потенциальный нарушитель может попытаться произвести атаку с лазерным повреждением компонентов (LDA), влияющую на составные оптические элементы системы КРК, и нарушить их функционирование с целью сделать формирование ключей шифрования несекретным либо вывода аппаратуры из строя. Приоритетной целью LDA являются аттенюаторы, т.к. при уменьшении их ослабления понижается секретность формируемых ключей шифрования (Bugai К.Е., Zyzykin А.Р., Bulavkin D.S., Bogdanov S.A., Sushchev I.S., Dvoretskiy D.A. Laser Damage Attack on a Simple Optical Attenuator Widely Used in Fiber-based QKD Systems // 20th International Conference Laser Optics (ICLO 2022), Nonlinear and Quantum Photonics in Waveguide Systems).

Таким образом, разработка устройств защиты элементов систем КРК от атаки с лазерным повреждением элементов, является актуальной задачей.

Известно устройство оптического пассивного затвора (патент РФ на изобретение №2509323, приоритет от 06.02.2012 г.), которое содержит разрушаемую сфокусированным излучением металлическую пленку на прозрачной подложке, механически закрепляемую в оптической системе приемника излучения в плоскости промежуточного действительного изображения входного объективом. Пленка закреплена по своему периметру над прозрачной подложкой с зазором, превышающим глубину резкости сформированного объективом промежуточного изображения.

При попадании в систему мощного лазерного излучения металлическая пленка в области фокусировки изменяет свою отражательную способность, затем нагревается и разрушается (испаряется), в результате чего в пленке образуется отверстие, отражение от данного участка зеркальной поверхности затвора прекращается, и мощное лазерное излучение уже не попадает в выходной объектив и, соответственно, в защищаемое оптико-электронное устройство.

Известное устройство имеет следующие недостатки:

сложность настройки и эксплуатация устройства в волоконно-оптических сетях из-за необходимости проведения точной юстировки элементов;

усложнение конструкции за счет использования дополнительных элементов;

низкий порог разрушения элемента.

Часть из указанных недостатков устраняется в устройстве (патент РФ №215524 на полезную модель, приоритет от 07.09.2022 г.), которое содержит только оптоволоконные компоненты, за счет чего решается проблема юстировки, уменьшаются габариты.

Указанное устройство включает

волоконно-оптический Х-образный светоделитель с коэффициентом деления света, равным 50/50,

зеркало с заданными коэффициентом отражения и пороговой мощностью разрушения, установленное на первом выходе светоделителя,

поглотитель света, установленный на втором выходе волоконно-оптического светоделителя.

Свет, поступающий на вход устройства, направляется на входной порт волоконно-оптического Х-образного светоделителя с коэффициентом деления мощности k=0,5 для длины волны света, на которой формируются квантовые состояния. Часть света, прошедшего через светоделитель, направляется к зеркалу с коэффициентом отражения R. Вторая часть направляется в поглотитель и рассеивается в виде тепла. Отраженный от зеркала свет возвращается к оптическому светоделителю, часть которого направляется к выходу устройства, а другая часть направляется в обратном направлении к входу устройства. При значении коэффициента деления светоделителя k=0,5 достигается максимальное пропускание устройства (про прочих равных условиях), и все попытки злоумышленника узнать ключ с помощью LDA атаки приведут к уменьшению пропускания устройства.

В качестве зеркала предложено использовать металлическую пленку, напыленную на торец оптоволоконного выхода светоделителя. Согласно проведенным исследованиям, пороговая плотность мощности разрушения зеркала составляет около 100 кВт/см, что соответствует падающей на зеркало мощности равной 80 мВт. При превышении порога разрушения происходит разрушение зеркала, увеличиваются оптические потери, атакующее излучение не поступает на защищаемое устройство. Отражающая пленка является дополнительным элементом, который формируется в результате сложной технологической операции напыления.

Известное устройство принято за прототип.

Отметим, что разрушение является необратимым, что означает приостановку квантового распределения ключа до замены зеркала.

Ввиду этого, нарушитель может добиться цели вывода оборудования из строя, используя лазер невысокой мощности, что упрощает злоумышленнику возможность достижения цели.

Таким образом, к недостаткам прототипа можно отнести:

низкий порог разрушения отражающего элемента;

усложнение конструкции за счет использования дополнительных элементов.

Предельное значение мощности атакующего излучения, больше которого LDA атака перестает иметь смысл, очевидно, определяются порогом разрушения оптического волокна.

Существуют разные механизмы, которые лежат в основе этого разрушения. Так, например, известно явление (R. Kashyap and К. J. Blow, Observation of catastrophic self-propelled self-focusing in optical fibres, Electron. Lett., 1988, 24, 47), называемое оптическим разрядом (ОР),заключающееся в разрушении волокна при воздействии мощного лазерного излучения с образованием полостей вдоль сердцевины волокна. Внешне возникновение и распространение ОР выглядит как область яркого свечения, которая движется по волокну со скоростью порядка 1 м/с навстречу лазерному излучению.

Инициирование ОР может быть вызвано разными причинами: загрязнением торца волокна, контактом торца с металлической поверхностью или нагревом участка волокна в электрической дуге. Соответственно, при определенных условиях и достижении пороговой мощности атакующего излучения происходит катастрофическое разрушение волоконного световода, и дальнейшая атака становится бессмысленной.

Согласно известным данным (Е.М. Дианов, И.А. Буфетов, А.А. Фролов, В.Г. Плотниченко, В.М. Машинский, М.Ф. Чурбанов, Г.Е. Снопатин. Катастрофическое разрушение волоконных световодов различного состава под действием лазерного излучения, Квантовая электроника, 2002, т.32, №6, сс.476-478), в волокне типа SMF-28 с диаметром поля моды 10 мкм при длине волны 1,48 мкм пороговая интенсивность непрерывного лазерного излучения, необходимая для поддержания волны оптического разряда, составляет порядка 1 МВт/см², что для указанного типа волокна соответствует мощности порядка 0,8 Вт. Те же пороговые значения плотности мощности указаны на сайте производителя оптоволоконных компонентов https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1362&pn=P1-SMF28Y-FC-1). Отмечается, что граница относительной устойчивости определяется условиями инициализации волны ОР и может быть значительно выше. Например, согласно результатам экспериментов (A. Huang, R. Li, V. Egorov, S. V. Makarov, et al., Phys. Rev. Appl. (13), 034017 (2020)), удалось ввести в одномодовое волокно лазерное излучение мощностью 9 Вт без разрушения волокна. При этом волокно не имело коннектора (скол под 90 градусов) и в условиях эксперимента исследователи стремились избежать триггеров для возникновения ОР, таких как загрязнения торца волокна, сильных изгибов волновода, контакта торца волокна с металлической поверхностью. Таким образом, представляется возможным увеличить порог разрушения устройства, до значения, равного порогу стойкости волокна. Это означает, что пока мощность не достигла порогового значения, устройство сохраняет свои функции и его можно считать наиболее долговечным. Это достигается за счет отказа от разрушающихся элементов, которые могут инициировать ОР и приостановить сеанс распределения ключа ввиду возросших оптических потерь при разрушении.

Раскрытие полезной модели

Техническим результатом является:

1) увеличение порога разрушения отражающего элемента;

2) упрощение конструкции.

Для этого предлагается устройство для защиты оптических систем от мощного лазерного излучения, содержащее

волоконно-оптический светоделитель 2×2 с коэффициентом деления света, равным 50/50,

поглотитель света, установленный на первом выходе волоконно-оптического светоделителя.

В предложенном устройстве каждый вход и выход волоконно-оптического светоделителя может иметь оптический коннектор.

Указанный технический результат достигается за счет того, что отражение, необходимое для функционирования устройства, происходит на границе раздела сред «сердцевина волокна - воздух», а повышение порога разрушения достигается за счет отсутствия в схеме элементов, таких как металлическое зеркало, которые могут инициировать ОР или приостановить сеанс распределения ключа ввиду возросших оптических потерь, вследствие разрушения. Граница раздела сред «сердцевина волокна - воздух» возникает естественным образом на выходе светоделителя при его изготовлении на производстве после скалывания оптического волокна или полировкой торца коннектора.

Схема устройства, показана на фигуре графического изображения и сходна со схемой прототипа, но не содержит отражающего элемента. Свет, поступающий на вход устройства 1, направляется на входной порт волоконно-оптического Х-образного светоделителя 2 с коэффициентом деления мощности k=0,5 для длиныволны света, на которой формируются квантовые состояния. Часть света, прошедшего через светоделитель, направляется к границе сред «сердцевина волокна - воздух» 3, от которой свет отражается с коэффициентом R. Вторая часть направляется в поглотитель 4 и рассеивается в виде тепла. Отраженный от границы сред 3 свет возвращается к оптическому светоделителю, часть отраженного света направляется к выходу устройства 5, а другая часть направляется в обратном направлении к входу устройства.

Ослабление света устройством (дБ) с коэффициентом деления k=0,5 равно

Коэффициент отражения R зависит от показателей преломления граничащих сред и угла падения света на границу раздела. При нормальном падении, когда оптическое волокно сколото под углом 90 градусов к оси волокна, коэффициент отражения примерно равен

где n - показатель преломления сердцевины оптического волокна.

При отклонении угла скола волокна от 90 градусов будут нарушаться условия полного внутреннего отражения света от стенок сердцевины оптического волокна, и коэффициент R будет уменьшаться. Таким образом, выбирая угол скола волокна или угол полировки коннектора, можно регулировать ослабления в предлагаемом устройстве согласно (1).

Ключевым конструктивным отличием от прототипа является отсутствие металлической пленки, отражающей свет. В прототипе порог разрушения такой пленки был экспериментально измерен и составлял 100 кВт/см². В предлагаемом устройстве отражение света происходит на границе раздела «сердцевина волокна - воздух». В отличие от прототипа, порог разрушения отражающей поверхности составляет порядка 1 МВт/см², т.е. примерно на порядок выше, чем в прототипе.

Предложенное устройство можно рассматривать также как аттенюатор, и оно, при необходимости и применении в составе системы КРК, может дополняться другими аттенюаторами для получения необходимого среднего числа фотонов в квантовых состояниях на выходе формирователя квантовых состояний.

Поглотителем может выступать отражающий элемент с меньшим коэффициентом отражения, чем от отражательного элемента. Известны соотношения (С.В. Алферов, К.Е. Бугай, И.А. Паргачев, Ю.В. Иванова // Исследование уязвимости систем квантового распределения ключей от атак с лазерным повреждением оптических компонентов на основе устройства с разрушающимся зеркалом, Письма в ЖТФ, 2023, том 49, вып.5, стр. 43-46), которые учитывают ненулевое отражение от поглотителя, а также приведен критерий выбора элементов в подобном случае. К примеру, в качестве отражающего элемента можно выбрать коннектор с полировкой FLAT, а в качестве поглотителя коннектор с полировкой АРС, отражение от которого значительно меньше.

Краткое описание чертежей

На фигуре графического изображения приведена схема устройства для защиты оптических систем от мощного лазерного излучения. Цифрами обозначены:

1 - вход устройства;

2 - волоконно-оптический Х-образный светоделитель;

3 - свободное оптическое волокно;

4 - поглотитель света;

5 - выход устройства.

Осуществление полезной модели

Предпочтительно выполнение устройства с использованием оптоволоконной элементной базы. В качестве светоделителя используется волоконно-оптический X-образный светоделитель типа FBTC-MSSSC-P-2×2-15-50-SM28-25-10-FP-2.4×25 производителя «DK Photonics» с коэффициентом деления оптического излучения 50/50 (http://www.dkphotonics.com/). В качестве поглотителя света может быть использован волоконный поглотитель FTFC1 (https://www.thorlabs.com/).

В качестве свободного оптического волокна, в котором происходит отражения от границы сред «сердцевина волокна - воздух», может выступать вывод светоделителя.

Входные и выходные волокна светоделителя могут снабжаться оптическими коннекторами, выходные торцы которых полированы под углом 90 градусов к оси волокна. Это может быть удобно, например, для проведения измерений и пр. При этом выходной торец коннектора того выхода светоделителя, где граница разделасред служит для ослабления света, может иметь поверхность, отличную от плоской, например, наклонную, выпуклую, что позволит дополнительно снижать коэффициент отражения света от границы раздела сред.

Использование предложенного устройства производится следующим образом.

Согласно фигуре графического изображения, свет, поступающий на вход устройства 1, направляется на входной порт волоконно-оптического Х-образного светоделителя 2 с коэффициентом деления мощности k=0,5 для длины волны света, на которой формируются квантовые состояния. Часть света, прошедшего через светоделитель, направляется к свободному оптическому волокну 3 с границей раздела сред «сердцевина волокна - воздух» и коэффициентом отражения R. Вторая часть направляется в поглотитель 4 и рассеивается в виде тепла. Отраженный от торца оптического волокна 3 свет возвращается к оптическому светоделителю, часть отраженного света направляется к выходу устройства 5. Полученное на выходе устройства квантовое состояние, направляют в оптоволоконную линию связи с приемником квантовых состояний.

В случае поступления на вход лазерного излучения, мощность которого превышает порог разрушения границы раздела "оптическое волокно - воздух", на выходе 3 светоделителя, возникает ОР, который разрушает волокно и сам светоделитель. При этом излучение с входа устройства разрушает светоделитель и частично поглощается в поглотителе, но уже не поступает на выход устройства. Таким образом, обеспечивается защита от проникновения мощного лазерного излучения далее в сигнальный тракт системы КРК.

Для возобновления работы и дальнейшей защиты поврежденный светоделитель заменяется на новый, и, после подключения входа и выходов светоделителя, устройство готово к дальнейшей работе.

Claims

1. Устройство для защиты оптических систем от мощного лазерного излучения, содержащее волоконно-оптический светоделитель 2×2 с коэффициентом деления света, равным 50/50, поглотитель света, установленный на первом выходе волоконно-оптического светоделителя, при этом в качестве отражающего элемента, инициирующего оптический разряд в случае превышения порогового значения мощности лазерного излучения, используется скол волокна выхода волоконно-оптического светоделителя, формирующий границу раздела «сердцевина волокна - воздух».

2. Устройство по п. 1, в котором каждый вход и выход волоконно-оптического светоделителя имеет оптический коннектор.